[배터리완전정복]⑮ '음극재 끝판왕' 리튬메탈 상용화 머지 않았다

편집자주지금은 배터리 시대입니다. 휴대폰·노트북·전기자동차 등 거의 모든 곳에 배터리가 있습니다. [배터리 완전정복]은 배터리에 대해 알고 싶어하는 일반 독자, 학생, 배터리 산업과 관련 기업에 관심을 가진 투자자들에게 배터리의 기본과 생태계, 기업정보, 산업 흐름과 전망을 알기 쉽게 전달하기 위해 만든 코너입니다. 매주 토요일에 여러분을 찾아갑니다.

지난 12월 7일 LG에너지솔루션과 카이스트(KAIST) 김희탁 교수 공동연구팀은 1회 충전에 900km, 400회 이상 재충전이 가능한 리튬메탈 배터리(리튬금속 전지) 연구 결과를 공개했다. 이는 현재 리튬이온배터리의 주행거리(약 600km)보다 50% 높은 수준이다. 며칠 뒤인 12월13일 미국 보스턴에 본사를 둔 SES AI는 고객사에 리튬메탈배터리 B샘플 공급을 시작했다고 밝혔다.

리튬메탈배터리는 전고체 배터리, 리튬황 배터리 등과 함께 차세대 배터리로 주목을 받고 있지만 화재 위험, 짧은 수명 등 극복해야할 난제도 적지 않다. 하지만 최근 잇따라 진전된 연구 결과가 발표되며 상용화가 가시권에 접어들었다는 평가가 나오고 있다.

이론 용량 흑연의 10배, 덴드라이트가 숙제

리튬메탈 배터리는 음극에 리튬 금속을 사용하는 배터리를 통칭한다. 1991년 소니가 리튬이온배터리를 첫 상용화한 이후 이차전지 기술은 양극 물질을 중심으로 이뤄졌다. 수십년간 이어졌던 양극재에 대한 연구가 한계에 달하자 이제 이차전지 연구자들의 관심은 음극 물질로 바뀌었다.

앞서 소개했던 실리콘 음극재도 그중 하나다. 실리콘 음극재는 스웰링(swelling, 부풀어 오름) 현상으로 인해 기존 흑연에 약 5%만 혼합하는 방식으로 상용화되고 있다. 스웰링 현상을 극복하는 것이 실리콘 음극재의 과제다. (배터리완전정복 11회 참조)

리튬메탈은 실리콘 음극재보다 더욱 주목받는 미래 이차전지 기술이다. 연구자들 사이에서는 음극재의 '끝판왕', '성배(Holy Grail)'라고 불린다.

리튬이온배터리에 쓰이는 흑연의 이론 용량은 372밀리암페어시(mAh/g)인데 비해 리튬 금속의 이론 용량은 3860mAh/g로 10 배 이상 이다. 리틈은 표준수소전극(SHE) 대비 -3.040V로 낮은 전위와 0.534g/㎤의 낮은 밀도를 갖고 있어 미래의 음극 물질로 주목을 받아왔다.

리튬메탈 음극재는 동박에 수십나노미터 두께의 리튬금속 호일을 입히는 방식으로 만들어진다. 리튬 금속 자체로 무게가 가벼운데다 두께도 흑연보다 훨씬 얇기 때문에 기존 흑연이나 실리콘 음극재보다 배터리의 크기나 부피를 크게 줄일 수 있다. 에너지 밀도를 향상시킬 수 있기 때문에 기존 배터리와 동일한 크기로 더 오래 주행할 수 있는 전기차를 만들 수 있게 된다. 가볍기 때문에 드론(무인항공기)에도 리튬메탈 배터리를 탑재할 수 있을 것으로 기대된다.

리튬이온배터리 음극재 발전 과정. 그림출처:MIT News

리튬메탈은 현재 상용화된 리튬이온배터리뿐 아니라 전고체, 리튬황 등 차세대 이차전지의 음극 물질로도 활발히 연구되고 있다. 예를 들어 리튬황 배터리는 양극 물질로 황을, 음극에 리튬 금속을 사용한다. 기존 리튬이온배터리의 양극 물질을 그대로 둔채 음극에 리튬메탈을 적용하고 고체 전해질을 사용하게 되면 전고체 배터리가 된다. 물론 상용화 수준으로 이를 구현하는 것은 별개의 문제다.

리튬메탈 배터리가 극복해아할 가장 큰 장벽은 덴드라이트(Dendrite)다. 덴드라이트란 충전시 음극으로 이동한 리튬이온이 수지상(나뭇가지 모양의 결정)을 형성하는 것을 말한다.

흑연을 음극재로 사용할 경우에는 음극으로 이동한 리튬이온이 흑연의 층상구조에 안정적으로 삽입되기 때문에 덴드라이트가 잘 발생하지 않는다. 반면 리튬메탈 배터리는 음극으로 이동한 리튬이온이 곧바로 리튬금속과 환원반응을 일으켜 음극 표면에 쉽게 전착된다. 전착된 리튬이 계속 자라서 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 단락이 발생해 배터리가 폭발하게 된다.

덴드라이트는 배터리의 수명에도 영향을 미친다. 리튬이온배터리에서 충방전을 할 경우 음극과 전해질 사이에는 SEI(solid electrolyte interface)층이 생긴다. SEI층은 리튬이온이 안정적으로 이동할 수 있는 통로 역할을 한다. 전해액과 리튬의 접촉을 막아 전해액에 의한 리튬의 부식을 방지하기도 한다. 그런데 리튬이 균일하게 전착되지 않고 한곳에 집중되면 SEI층이 손상돼 충방전 효율이 떨어지게 된다. 리튬 전착이 계속되면 리튬이 고갈되고 배터리 용량도 크게 감소한다.

그동안 리튬메탈배터리를 상용화하려는 시도들이 여럿 있었으나 덴드라이트의 문제를 풀지 못해 번번이 실패했다. 노벨화학상 수상자인 스탠리 휘팅엄 교수는 1970년대 양극에 이황화타이타늄(TiS2)을, 음극에 리튬금속을 쓰는 배터리를 처음 개발했으나 상용화로 이어지지 못했다.

리튬이온배터리가 나오기 전인 1988년 캐나다의 몰리에너지는 달하우지 대학교의 제프 단 교수와 함께 양극에 이황화몰리브덴(MoS2)을 쓰는 리튬메탈 배터리를 상용화했다. 하지만 이 배터리는 화재로 인해 대규모 리콜을 해야 했고 회사는 법정관리에 들어가야 했다. 덴드라이트가 화재의 원인으로 지목됐다. (배터리완전정복 3회 참조)

리틈메탈폴리머 배터리를 탑재한 프랑스 볼로레 전기버스

프랑스 파리의 대중교통 운영업체인 RATP는 2021년 볼로레 그룹의 블루버스를 도입했다. 이 버스는 볼로레그룹의 자회사인 블루솔루션이 개발한 리튬메탈폴리머(LMP) 배터리를 탑재했다. 하지만 2022년 두차례에 걸쳐 이 버스에서 화재가 발생하자 RATP는 이 배터리를 탑재한 버스 149대의 운행을 중단했다. 이 배터리는 전해질로는 액체가 아닌 폴리머(polymer·고분자) 소재를 사용했기 때문에 전고체 배터리로 분류하기도 한다.

리튬메탈의 덴드라이트 형성을 억제하기 위해 연구자들은 다양한 시도를 하고 있다. 리튬 메탈의 표면을 코팅하거나 전해액의 구성 요소를 최적화하거나 첨가제를 도입하는 등의 연구들이 진행되고 있다. 그 결과 의미있는 결과물들이 하나둘씩 발표되고 있다.

SK·현대가 투자한 美 SES AI "2025년 상용화"

리튬메탈배터리의 상용화에 가장 가깝게 다가선 곳은 SES AI로 파악된다. 이 회사는 지난 12월 13일 배터리월드 행사에서 주요 완성차 업체 한곳과 리튬메탈 배터리 B샘플 양산을 위한 공동개발협약(JDA)을 체결했다고 밝혔다. SES AI는 2021년 미국 제너럴모터스(GM), 일본 혼다. 현대차 등 글로벌 자동차 기업들과 A샘플에 대한 JDA을 맺은 바 있는데 이중 한 곳과 우선 B 샘플 계약을 맺었다.

SES AI는 홈페이지에서 "B샘플을 완성할 때쯤에는 모듈과 팩 기술의 위험이 완전히 제거된 것으로 간주되며 공급망과 제조공정에서 어떤 방해 리스크도 없는 것으로 여겨진다"고 설명하고 있다. 앞으로 C·D 샘플 과정을 거치면 전기차에 탑재할 수 있다.

이 회사 설명대로 B샘플 테스트에 1~2년, C·D 샘플 테스트에 1~2년이 소요된다는 점을 감안하면 빠르면 2년 이내에 상용화가 가능할 것으로 예상된다. 실제로 이 회사는 2025년경에 리튬메탈 배터리를 상용화한다는 목표를 제시했다. SES AI는 리튬메탈배터리를 도심항공교통(UAM)에도 적용하겠다는 계획도 밝혔다.

치차오 후 SES AI 창업자가 2021년 11월 열린 배터리월드 행사에서 리튬메탈배터리를 소개하고 있다. 사진출처:SES AI

미국 보스턴에 본사를 둔 SES AI는 MIT 출신의 치차오 후(Qichao Hu) 박사가 2012년 설립한 회사다. 설립 당시에는 솔리드에너지시스템(Solid Energy System)이었으나 이후 현재 사명으로 변경했다. 회사 이름에서 짐작할 수 있듯이 회사는 처음엔 전고체 배터리를 개발했으나 이후 리튬메탈배터리로 방향을 틀었다. 리튬메탈배터리의 상용화 가능성을 더욱 높게 본 것이다. 치차오 후 창업자는 포춘코리아와의 인터뷰(2023년 8월호)에서 "전고체는 갈 갈이 너무 멀다"며 "하이브리드 리튬메탈이 최종 단계(End Game)'이라고 밝히기도 했다.

이 회사는 2016년 리튬메탈배터리 시제품을 처음 선보이며 전세계 완성차 업체의 관심을 받았다. 우리나라와 관계도 깊다. SK는 2018년, 2021년 두차례에 걸쳐 이 회사에 투자해 지분 12.7%를 확보했다. 현대차도 이 회사에 1억달러를 투자했다. SES AI는 2022년 2월 나스닥에 상장했으며 중국 상하이와 우리나라 충주에 공장을 갖고 있다. 충주 공장은 국내 고객사를 겨냥해 지은 것으로 해석된다.

SES AI는배터리 소재를 개발하는데 딥러닝 기술을 이용한다. 회사 이름에 AI가 들어간 것도 이 때문이다. SES AI는 고농도 염중용매(solvent-in-salt) 전해질, 보호 코팅, 복합 리튬 금속을 적용해 리튬 형성을 억제했다고 설명했다. 이 회사는 2021년 0.982kg에 107암페어시(Ah)의 리튬메탈배터리를 공개했다. 중량당 에너지밀도는 417Wh/kg, 부피당에너지밀도는 935Wh/L였다.

국내서도 속속 성과

LG에너지솔루션과 김희탁 카이스트 교수팀이 공동으로 연구한 리튬메탈 전지 기술은 400Wh/g 이상의 에너지 밀도를 구현하며 1회 충전에 900km의 주행, 400회 이상 재충전이 가능한 성능을 발휘한다. 공동 연구팀은 리튬메탈 배터리 구현을 위해 기존에 보고되지 않았던 '붕산염-피란(borate-pyran)' 기반 액체 전해질을 세계 최초로 적용해 기술적 난제를 해결했다고 설명했다.

LG에너지솔루션과 카이스트 김희탁 교수팀이 네이처에너지 11월23일에 게재한 논문 일부.

붕산염-피란 전해액은 리튬금속 음극 표면에 형성된 SEI를 치밀한 구조로 재설계해 전해액과 리튬간의 부식 반응을 차단한다. 이 기술은 덴드라이트와 부식 문제를 동시에 해결해 충방전 효율을 향상시킬 수 있다고 연구진은 설명했다. 이 연구 결과는 세계적인 학술지인 네이처에너지 11월 23일자 온라인에 게재됐다.

롯데케미칼은 지난 11월 28일 리튬메탈음극재의 불안정성을 해결하기 위한 고분자계 고체전해질 기반 ‘분리막 코팅소재 제조 기술’을 국내 최초로 개발하고 국내특허 출원을 완료했다고 밝혔다. 이 기술은 리튬이온의 흐름성을 개선하는 기능성 소재를 리튬메탈배터리의 분리막에 코팅해 덴드라이트 현상을 억제하는 것이 핵심이다. 이 기술을 통해 500회 재충전에서 90% 이상의 용량을 보존했다고 회사 측은 설명했다.

롯데케미칼은 지난 2021년 리튬메탈 음극재를 개발하는 미국 스타트업 소일렉트(SOELECT)에 지분을 투자하고 JDA를 체결했다. 이후 약 2년여의 공동연구를 통해 관련 기술을 개발, 적용할 수 있었다. 양사는 2025년까지 미국 현지에서 약 2억 달러 규모의 기가와트급(GWh) 리튬메탈 음극재 생산시설 구축을 검토하고 있다.

<참고문헌>

MIT News, Doubling battery power of consumer electronics, 2016.8.16
KIC News Volume 21, No. 6, 2018, 차세대 리튬금속음극 보호막 기술동향
Electrek, SES shares plans for world’s largest lithium-metal facility to build 107 amp-hour EV batteries. 2021.11.3
electrive, Paris public transport operator orders 109 electric buses by Bluebus, 2021.1.9
InsideEV, Paris Suspends 149 Bollor? Electric Buses After Two Fires, 2022.5.2
포춘코리아, “배터리 기술 경쟁, 엔드게임에 들어섰다”, 2023.8.4
Nature Energy, Borate?pyran lean electrolyte-based Li-metal batteries with minimal Li corrosion, 2023.11.23
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS 38권 2호, '안정한 리튬금속음극 개발' , 2020.2
Journal of the Korean Electrochemical Society Vol. 25, No. 2, 2022, 리튬금속전극의 덴드라이트 성장 억제 방안의 연구 동향
SES AI 홈페이지